爆炸冲击波信号处理方法比较.pdf
第2 7 卷第1 期 2 0 1 0 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 .2 7N o .1 M a r .2 0 1 0 D O I 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 1 - 4 8 7 X .2 0 1 0 .0 1 .0 2 5 爆炸冲击波信号处理方法比较 邱艳宇,卢红标,蔡立艮 解放军理工大学工程兵7 - 程学院,南京2 1 0 0 0 7 摘要空中爆炸冲击波的实测信号中,常有幅值很大的瞬时干扰信号,冲击波超压峰值的获取往往需要 采用后期信号处理的方法。针对模爆器产生的爆炸冲击波超压的特点,采用“经验拟合”和“数字滤波”2 种 不同的处理方法进行信号的消噪处理,通过对试验测试结果的比较研究,肯定了传统的经验公式拟合方法在 爆炸冲击波信号处理中的适用性。. 关键词爆炸;冲击波超压;模爆器;经验拟合;数字滤波 中图分类号0 3 8 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 0 0 1 0 0 9 2 0 4 C o m p a r a t i v eR e s e a r c hi nS i g n a lP r o c e s s i n go fB l a s t i n gS h o c kW a v e Q wY a n - y u 。L UH 帆g b i a o 。C A IL i - g e n E n g i n e e r i n gI n s t i t u t eo fE n g i n e e r i n gC o r p s ,P L AU n i vo fS c i T e c h ,N a n j i n g2 1 0 0 0 7 ,C h i n a A b s t r a c t I nt h ea i rb l a s t i n gs h o c kw a v ee f f e c t sr e s e a r c h .t r a n s i e n ts i g 触hw i t hl a r g ep e a kv a l u e sm a yb e0 fs o m e i n f l u e n c et ot h eb l a s t i n gs h o c kw a v em e a s u r e m e n t ,s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o di so f t e nu s e dt oa c q u i r et h et r u ev a l u eo f b l a s t i n gs h o c kw a v eo v e r p r e s s u r e .B ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro fs i g n a lg e n e r a t e db yt h en u c l e a rb l a s tl o a dg e n e r a t o r , i t a d o p t st w od i f f e r e n tm e t h o d s ,t h ee m p i r i c a lf o r m u l af i t t i n ga n dd i g i t a lf i l t e r i n gf o re l i m i n a t i n gn o i s e s .I tc o n f i r m s t h a tt h ee m p i r i c a lf o r m u l af i t t i n gi sa p p l i c a b l ef o rs i g n a lp r o c e s s i n go fe x p l o s i v es h o c kw a v e . K e yw o r d s e x p l o s i o n ;s h o c kw a v eo v e r p r e s s u r e ;n u c l e a rb l a s tl o a dg e n e r a t o r ;e m p i r i e a lf o r m u l af i t t i n g ;d i g i t a l f i l t e r i n g 0 引言 空气冲击波的能量主要集中在正压区。就破坏 作用来说,正压区的影响比负压区大得多,一般可以 不考虑负压区的作用。因此,冲击波对目标的破坏 作用可以用3 个参数来度量1 波阵面压力即冲击 波的峰值超压聪;2 正压区作用时间T ;3 冲量 密度,.。这3 个参数表征了冲击波的破坏作用的 大小,是冲击波的主要特征量。因此,爆炸冲击波测 试的主要目的是从试验结果中正确识别上述3 个参 数。目前,常用的爆炸冲击波信号处理方法主要有 2 种一是采用经验公式对测试波形进行拟合;二是 收稿日期2 0 0 9 一0 9 - 3 0 作者简介邱艳宇 1 9 7 8 一 ,女,讲师、硕士,主要从事量测技术的研 究和应用。E - m a i l r a i n y _ m a y 1 2 6 .e o m o 采用各种滤波的方法。但是由于炸药在爆炸、燃烧 过程中伴有较强的电磁场、强闪光、高温,给测量试 验参数的传感器、电缆、测量设备等造成不同程度的 干扰;使用不同的传感器和不同的安装方法,对冲击 波测量结果的影响也很大J ,以l 组空中爆炸冲击 波超压测试数据为基础,采用上述2 种信号处理方 法对爆炸冲击波参数的识别进行了对比研究,给出 了信号处理波形图。 1 试验数据测量 1 .1 加载方法和测点布置 试验在核爆炸压力模拟器中进行,试验采用导 爆索平面装药方法,试验原理如图l 所示。导爆索 在模爆器的盖板和栅板之间爆炸时,在爆腔中将产 生竖直向下传播的平面波,该爆炸冲击波压力由布 万方数据 第2 7 卷第1 期邱艳宇,卢红标,蔡立艮爆炸冲击波信号处理方法比较 置在砂表面的压力传感器测量。 图1 试验原理图 1 .2 量测系统 压力传感器选用国内某厂生产的应变式压力传 感器,该传感器的固有频率大于2 5k H z 。爆炸冲击 波超压作用在传感器上时,压力传感器输出相应的 电压信号,经动态电阻应变仪D H 3 8 4 2 将其放大,数 据采集记录仪D H 5 9 3 9 N 经同步起爆装置的触发信 号触发,对传感器的电压输入信号进行实时数据采 集,并将数据传输到计算机进行保存和分析处理,其 工作原理见图2 。 。 图2 量测系统示意图 采集到的典型爆炸冲击波压力时程曲线如图3 所示,其升压时间短,正压作用时间长,且正压作用 时程段的指数衰减规律明显,只是超压峰值淹没在 噪声当中无法直接判读,需要采用信号处理的方法 进行波形的识别。 0 .10 .20 .30 .40 .5 0 .6 0 .7 2 .1 经验拟合法 为了完整地描述“理想的”爆炸冲击波的压力一 时间历程的特性,应该把它的形式确定为时间的函 数。许多不同的作者推荐并使用了这样的函数形 式,它们都是根据对测量的或理论上预言的时间历 程作经验的拟合,重点是提出对正相的拟合。有了 这些形式的拟合,就可以用试验结果去匹配幅度髫 和初始衰减率或者幅度和正冲量,.。具体方法如 下‘2 1 1 卡取超压峰值的到达时间t o ,如图4 所示; 0 .0 5 0 .0 4 O .0 3 L 窆0 .0 2 屯 0 .O l O .0 0 0 .O l t ./- - i o p t ‘‘气㈣“i 。i 8 1 8 8 ‘8 0 .1 00 .1 2 0 .1 4 0 .1 6 0 .1 8 0 .2 0 0 .2 20 .2 4 0 .2 6 0 .2 80 .3 0 t /s 图4 经验拟合法求超压峰值 2 在图4 中通过到达时间%画垂直于时间轴的 直线; 3 在超压时程曲线上选取变化趋势较为明显 的一段,如图4 中截取的超压时程曲线段; 4 将截取的超压时程曲线段进行指数衰减拟 合,得到拟合曲线; 5 到达时间t 。直线和拟合曲线交点处的数值 即为该点的峰值超压聪。 采用经验拟合法需要注意2 个问题一是经验 公式的选择;二是截取超压时程曲线段的选择。对 于精度要求不高 误差1 0 % 的工程应用问题,采用 了形式较为简单的埃思里奇方程 p t P o e ;e 幛 其中p 为时间常数,且 t . t ≤t .4 - T 该方程将在多数的正相上精确地拟合许多仪器 的记录口1o 为比较超压时程曲线段的截取对经验拟方法合 结果的影响,截取了3 个曲线段进行了对比分析,截 取时程和经验拟合法得到的超压峰值详见表l 其 中截取区段以时间值表示 ,其波形图见图5 。可 见,截取的时问区段2 的拟合结果比较理想,其提取 的超压峰值为0 .0 2 4M P a 。 2 .2 滤波处理法 从图3 中可以看出,在整个超压时程上都存在 密集的尖峰状高频脉冲干扰。为了从这种带有密集 高频干扰的超压时程准确确定爆炸冲击波峰值超 压,首先需要对超压时程信号进行频域的分析,其频 谱分析如图6 所示。 万方数据 爆破2 0 1 0 年3 月 表l 截取时程区段和拟合结果 y o 0 .0 1 17 20 .0 0 18 l0 .0 0 1 8 I A l 0 .5 1 86 40 .0 4 11 40 .0 3 29 6 t .0 .0 4 08 l0 .1 9 90 30 .2 二汐3 2 P 。0 .0 3 7 0 .0 2 40 .0 2 1 y z4 .7 4 E - 67 .2 8 E .71 .7 4 点巧 注∥为数据点和拟合函数相应点差的平方和。 0 .0 0 08 0 .0 0 0 6 飞 j 墨o ’0 0 0 4 飞 0 .0 0 0 2 0 .O O O O 0 .1 0 O .0 8 日O .0 6 山 鼍o .0 4 O .0 2 O .0 0 .V 1 。; { /抽“h M 啦 k.................. ..⋯3 。l .I a s 图5 经验拟合曲线 W№M 以删山一“m 帖,,m M 帆枷‰⋯啪. 02 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0 F r e q u e n c y /H z 图6 超压时程的幅频曲线 从图6 可以看出,该爆炸冲击波信号包含的频 率信息非常丰富,主要能量集中在2k H z 以下频段。 0 .1 0 O .0 8 0 .0 6 I 0 .0 4 鱼 0 .0 2 0 .0 0 _ _ ■●址~~ 0 .0 3 5 0 .0 3 0 0 .0 2 5 日0 .0 2 0 山 0 .0 i 5 钆0 .0 1 0 0 .0 0 5 0 .0 0 0 一O .0 0 5 7 分别对超压时程曲线进行2k H z 、5 0 0k H z 和2 0 0 k H z 低通滤波,得到的结果如图7 所示。 O .0 6 0 .0 4 山 窆O .0 2 屯 0 .O O 一0 .0 2 t /8 b 5 0 0 H z 低通滤波 帅州圳 flI“f。、nV-V、\..,..。...........、.,...... 0 .10 .20 .30 .40 .50 .6 0 .7 t /s c 2 0 0 H z 低通滤波 图7 滤波法处理结果 从图7 中可以看出,如果滤波器的上限截止频 率选择太高,则超压峰值仍然淹没在高频噪声中无 法判读;只有当上限截止频率选在较低频率时,如图 7 C ,从图中直接读出压力峰值约为0 .0 3 2M P a ,但 此时的波形由于包含有1 0 0H z 的工频干扰而使得 峰值的判读已经出现了失真。 万方数据 第2 7 卷第1 期邱艳字,卢红标,蔡立艮爆炸冲击波信号处理方法比较 9 5 上接第6 9 页 K 3 .3 7 [ 1 2 0 0 9 .8 3 0 /1 0 ∽/1 5 0 ] 1 .6 6 0 .2 7c m /s 可见,在离爆破中心点1 5 01 1 “ 1 处,触地振动速度 估计值为0 .2 7e m /s ,因此是安全的,符合爆破安 全规程的相关要求。 5 .3 飞石控制 5 .3 .1 爆破飞石控制 本次爆破周围环境虽然比较开阔、空旷,除待拆 的建、构筑物外,1 5 0m 范围内无其他需要保护的 构、建筑物及设备,但是空中有高压线和通讯光缆 等,且由于炮眼浅,炸药单耗大,要采取覆盖防护措 施控制飞石远抛。要求采取近体防护措施,即用2 层竹芭、2 层草袋覆盖爆破位置,并用铁线绑紧。考 虑到政府部门有关人员参加现场开工仪式及周围群 众多的情况,防护上还采取了在爆破缺口外2m 处 堆泥挡飞石的措施,堆泥高度2 .5m 。 5 .3 .2 触地反弹飞石控制 烟囱倒塌触地时,地面较硬可能引起碎石碎土反 弹远抛,造成意外事故,特别是本次爆破烟囱倒塌位 置的地面碎石废渣较多,容易引起反弹飞石。因此必 须采取有效的措施加以控制。本次爆破设计在烟囱 倒塌方向上,离烟囱底部4 5 9 0m 、宽度为2 0n l 的范 围内设置软土堤带,堤高lm ,软土堤带表面用编织 袋装土堆积2 层,不能堆散土,以防散土飞溅远抛。 5 .4 爆破警戒 爆破本身产生的飞石可采用防护材料加以防 护,飞石可控制在一定范围内。但钢筋混凝土烟囱 刚度大,高度高,倒塌触地可能产生飞石,因此除垫 土外,加强警戒范围,爆破警戒范围为以爆破中心为 半径的3 0 0n l 。如图1 所示。 6 爆破效果 起爆后,烟囱稍微振了一下,之后缓缓睡下。烟 囱按照预先设定的方向倒下,并准确的倒在防护垫 层上,爆破取得完满成功。倒塌后,烟囱前3 8n l 完 好,烟囱顶部至6 0m 完全压扁,露出直条条的钢筋。 从倒塌痕迹看,倒塌方向没有明显偏差,落在垫层中 央,因此没有造成触地飞石。倒塌范围长度基本与 烟囱高度相当,没有产生前冲现象。保留部分起到 支撑作用,但烟囱倒塌后基本被压跨。 7 体会 1 钢筋混凝土复合结构的高耸构筑物由于结 构的复杂性,爆破保证较大爆破炸药单耗是必要的, 较大的装药量可以弥补可能的爆破设计参数和施工 原因可能造成的偏差,保证爆破缺口的完全形成,使 烟囱顺利倒塌。 2 在设备和场地允许条件下,爆破缺口周围设 置土堆防护效果明显,尽管在较大装药下,爆破飞石 基本被挡在屏障内,最远的飞石不超过1 0m 。 3 由于烟囱内壁较厚,在内部钻眼时,爆破参 数不宜过大,以防由于弧度原因造成装药位置距离 过稀,而影响爆破效果。 4 设计时担心由于壁厚较大形成初始平衡位 置前移,造成拉力矩增大而影响烟囱倒塌。从爆破 倒塌过程看,烟囱倒塌顺利,没有出现拉力过大而影 响烟囱倒塌的情况。 参考文献 [ 1 ]田厚建,毛益松,刘炳琪.实用爆破技术[ M ] .北京解 放军出版社,1 9 9 9 . [ 2 ] 冯叔瑜.城市控制爆破 M ] .北京中国铁道出版社, 1 9 9 6 . [ 3 ] 刘殿中.工程爆破实用手册[ M ] .北京北京冶金工业 出版社,1 9 9 9 . 万方数据